基于arduino的室內(nèi)無線火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

姜棗

【摘要】 本系統(tǒng)是基于arduino平臺(tái)的火災(zāi)自動(dòng)偵測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，使用可燃?xì)怏w濃度傳感器，溫度傳感器以及濕度傳感器，捕捉火災(zāi)發(fā)生后火光、煙霧、熱能的變化，然后反饋給監(jiān)測(cè)人員，并發(fā)出警報(bào)。利用多節(jié)點(diǎn)無線傳輸聯(lián)動(dòng)機(jī)制，闡述了多點(diǎn)聯(lián)動(dòng)無線火災(zāi)檢測(cè)系統(tǒng)的軟硬件流程。測(cè)試結(jié)果顯示本系統(tǒng)可有效檢測(cè)到火災(zāi)發(fā)生時(shí)的物理化學(xué)信號(hào)，并及時(shí)準(zhǔn)確地發(fā)出警報(bào)。

【關(guān)鍵詞】 arduino 無線傳輸 火災(zāi)監(jiān)測(cè)

據(jù)世界火災(zāi)統(tǒng)計(jì)及歐洲共同體研究測(cè)算，火災(zāi)直接損失占國(guó)民經(jīng)濟(jì)總產(chǎn)值的2‰，火災(zāi)總損失占國(guó)民經(jīng)濟(jì)總產(chǎn)值的10‰。現(xiàn)代社會(huì)經(jīng)濟(jì)空前發(fā)展，積累巨額財(cái)富。尤其城市社區(qū)密集，建筑設(shè)施鱗次櫛比，一旦發(fā)生火災(zāi)，嚴(yán)重危害人民的生命財(cái)產(chǎn)安全，造成慘重?fù)p失?；馂?zāi)危害不亞于地震洪水危害，不僅嚴(yán)重影響經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人類的正常生活，還污染了大氣，破壞了生態(tài)環(huán)境?；馂?zāi)的早期發(fā)現(xiàn)，是充分利用滅火措施、減少火災(zāi)損失、保護(hù)生命財(cái)產(chǎn)的重要保證[1]。選擇合適的火災(zāi)探測(cè)器來探測(cè)火情是一個(gè)首要問題，因?yàn)橐紤]探測(cè)原理、適用場(chǎng)合、環(huán)境適應(yīng)性及局限性，才能有效地發(fā)揮各種探測(cè)器的作用[2]。本系統(tǒng)是基于arduino控制板的多點(diǎn)聯(lián)動(dòng)無線火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)可燃?xì)怏w濃度、環(huán)境溫度和濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，多種傳感器進(jìn)行多點(diǎn)多樣布置，對(duì)各傳感器發(fā)出的物理化學(xué)信號(hào)信息進(jìn)行綜合計(jì)算并發(fā)出聲光警報(bào)，同時(shí)由于本系統(tǒng)采用多點(diǎn)聯(lián)動(dòng)機(jī)制，還可以有效防止誤報(bào)警。

一、系統(tǒng)組成

Arduino是一款便捷靈活、方便上手的開源電子原型平臺(tái)。它構(gòu)建于開放原始碼simple I/O介面版，并且具有使用類似Java、C語言的Processing/Wiring開發(fā)環(huán)境。硬件部分是可以用來做電路連接的Arduino電路板；軟件部分是程序開發(fā)環(huán)境Arduino IDE。Arduino能通過各種各樣的傳感器來感知環(huán)境，通過控制燈光、馬達(dá)和其他的裝置來反饋、影響環(huán)境。本系統(tǒng)基于arduino的多點(diǎn)聯(lián)動(dòng)無線檢測(cè)火災(zāi)的發(fā)生。

該系統(tǒng)通過多個(gè)可燃?xì)怏w濃度傳感器、濕度傳感器以及溫度傳感器捕捉火災(zāi)發(fā)生后火光、煙霧、熱能的變化，并發(fā)送給arduino控制板，通過計(jì)算判斷是否有火情，如果系統(tǒng)判斷發(fā)生火情則發(fā)出聲光警報(bào)。

本系統(tǒng)由可燃?xì)怏w濃度傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、無線串口發(fā)射模塊、arduino控制板、報(bào)警燈和蜂鳴器組成，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

二、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

Arduino UNO是Arduino USB接口系列的最新版本，為Arduino平臺(tái)的參考標(biāo)準(zhǔn)模板。UNO的處理器核心是ATmega328，同時(shí)具有14路數(shù)字輸入/輸出口（其中6路可作為PWM輸出），6路模擬輸入，一個(gè)16MHz晶體振蕩器，一個(gè)USB接口，一個(gè)電源插座，一個(gè)ICSP header和一個(gè)復(fù)位按鈕。既可以通過外部直流電源插入直流插座供電，又可以通過USB接口供電，還可以通過電池連接VIN和GND引腳供電，使用范圍廣，應(yīng)用靈活，能夠滿足多種環(huán)境的需求。

2.1 傳感器模塊

2.1.1 可燃?xì)怏w濃度傳感器

采用TGS5342 CO氣體傳感器。TGS5342是費(fèi)加羅研發(fā)的可電池驅(qū)動(dòng)的電化學(xué)式傳感器，與現(xiàn)有的電化學(xué)式傳感器相比，具有以下優(yōu)勢(shì)：電解質(zhì)是環(huán)保型的，沒有電解液泄漏的危險(xiǎn)；一氧化碳可檢測(cè)濃度高達(dá)1%；操作使用溫度范圍廣；對(duì)干擾氣體的靈敏度很低。這種傳感器具有使用壽命長(zhǎng)、穩(wěn)定性好、精度高的特點(diǎn)，通過每個(gè)傳感器的條形碼可以單獨(dú)打印傳感器的數(shù)據(jù)，使用戶可以避免昂貴的氣體校準(zhǔn)程序，還允許對(duì)個(gè)別傳感器進(jìn)行追蹤。

2.1.2 溫度傳感器

采用STT-W壁掛式溫度傳感器。STT-W系列溫度傳感器采用ABS外殼防護(hù)，側(cè)面帶有通氣孔，測(cè)量環(huán)境溫度迅速準(zhǔn)確，適用于氣象、房間等環(huán)境溫度的測(cè)量。

2.1.3 濕度傳感器

采用電容型HS1101濕度傳感器，該傳感器具有全互換性，在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下不需校正，長(zhǎng)時(shí)間飽和情況下能夠快速脫濕等特性。由于其固態(tài)聚合物結(jié)構(gòu)，可提供線性電壓或頻率輸出，反應(yīng)快速，具有高可靠性與長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定性。

2.2 無線通信模塊

本系統(tǒng)采用APC220 - 43模塊。該模塊是一款多通道嵌入式無線數(shù)傳模塊，可設(shè)置頻道，步進(jìn)精度為 1Khz，發(fā)射功率高達(dá)20 MW，但是仍然具有較低的功耗。模塊采用了高效的循環(huán)交織糾檢錯(cuò)編碼，最大可以糾正24bits連續(xù)突發(fā)錯(cuò)誤，其編碼增益高達(dá)3dBm。模塊外部接口采用透明數(shù)據(jù)傳輸方式，能適應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的用戶協(xié)議，所接收的數(shù)據(jù)就是所發(fā)送的數(shù)據(jù)。

2.3 供電系統(tǒng)

由于Arduino UNO的特點(diǎn)，既可以通過外部5v直流電源插入直流插座供電，又可以通過5v電池連接VIN和GND引腳供電，還可以通過USE接口連接大容量電池進(jìn)行供電，因此使用范圍廣，應(yīng)用靈活，能夠滿足多種環(huán)境的需求。

2.4 傳感器節(jié)點(diǎn)布置方案

根據(jù)本系統(tǒng)所采用的傳感器自身特點(diǎn)，探測(cè)區(qū)域的每個(gè)房間至少應(yīng)設(shè)置一只火災(zāi)探測(cè)器。一個(gè)探測(cè)區(qū)域內(nèi)所需設(shè)置的探測(cè)器數(shù)量，不應(yīng)小于下式的計(jì)算值：

N = S ÷ A × K

式中：N-探測(cè)器數(shù)量（只），N應(yīng)取整數(shù)；S-該探測(cè)區(qū)域面積（㎡）；A-探測(cè)器的保護(hù)面積（㎡）；K-修正系數(shù)，特級(jí)保護(hù)對(duì)象宜取0.7～0.8，一級(jí)保護(hù)對(duì)象宜取0.8～0.9，二級(jí)保護(hù)對(duì)象宜取0.9～1.0。節(jié)點(diǎn)周圍5m范圍內(nèi)不能有強(qiáng)電磁干擾源。

三、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)控制器上采用Arduino UNO作為主控芯片，其主要功能包括邏輯判斷處理、語音報(bào)警和數(shù)據(jù)采樣等，該部分是火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)智能化的集中體現(xiàn)。

為了便于系統(tǒng)維護(hù)，在火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)中采用了模塊化程序設(shè)計(jì)方法，系統(tǒng)各個(gè)模塊的具體功能都是通過子程序調(diào)用實(shí)現(xiàn)的[3]。這既使得程序結(jié)構(gòu)清晰，又便于以后進(jìn)一步擴(kuò)展其功能。本系統(tǒng)主要包括主程序、溫度煙霧數(shù)據(jù)采集子程序、火災(zāi)判斷與報(bào)警子程序等。系統(tǒng)程序流程圖如圖7所示。

系統(tǒng)溫度濕度煙霧信號(hào)采集程序流程圖如圖8所示：

四、實(shí)驗(yàn)測(cè)試

經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，系統(tǒng)開始運(yùn)行后，各傳感器及上位機(jī)運(yùn)行正常，各傳感器采集到的溫度、濕度及煙霧信號(hào)可實(shí)時(shí)傳送至上位機(jī)，采集溫濕度及煙霧信號(hào)與真實(shí)值相當(dāng)，檢測(cè)到的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，誤差小。由于實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所在室內(nèi)，受風(fēng)力等環(huán)境因素影響較小。各傳感器在不同時(shí)間采集到的數(shù)據(jù)值變化在允許范圍之內(nèi)，當(dāng)某傳感器信號(hào)超出預(yù)警值時(shí)，系統(tǒng)可迅速準(zhǔn)確地發(fā)出警報(bào)。

五、結(jié)論

本系統(tǒng)是在對(duì)煙霧、溫度傳感器和濕度傳感器進(jìn)行細(xì)致選擇的基礎(chǔ)上，全面比較國(guó)內(nèi)外同類產(chǎn)品的技術(shù)特點(diǎn)，合理地確定系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，經(jīng)實(shí)驗(yàn)?zāi)軡M足室內(nèi)場(chǎng)所的火災(zāi)報(bào)警功能。整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的目標(biāo)。

本系統(tǒng)通過設(shè)計(jì)一個(gè)以Arduino UNO為核心的火災(zāi)報(bào)警器，可以實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警、溫度顯示、濕度、煙霧氣體濃度顯示、報(bào)警設(shè)置等功能。是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、使用方便、價(jià)格低廉、智能化的火災(zāi)報(bào)警器，具有一定的實(shí)用價(jià)值。本報(bào)警器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可維護(hù)性好。由于實(shí)現(xiàn)了對(duì)普通環(huán)境中溫濕度和煙霧的實(shí)時(shí)監(jiān)控，因此具有非常普遍的意義，能廣泛應(yīng)用于居民家庭、企事業(yè)單位等室內(nèi)場(chǎng)所多方面的安全防范。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 范維澄. 中國(guó)火災(zāi)科學(xué)基礎(chǔ)研究概況[J]. 火災(zāi)科學(xué)，2005，6：57～ 62.

[2] 吳龍標(biāo)，袁宏永. 火災(zāi)探測(cè)與控制工程[M]. 合肥：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，1999.11：1～ 20.

[3] 王釗. 智能型火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究.（碩士學(xué)位論文）. 西安理工大學(xué)，2009.